【生产实践】烘缸轴承失效原因分析及其改善方案

陈赛 先生

助理工程师；从事设备安装、维修工作。

 

1 烘缸工作环境

造纸机用铸铁烘缸属Ⅰ类压力容器。铸铁烘缸的数量约占造纸行业压力容器总数的2/3。制造烘缸的材料一般多为HT200、HT250。为了增加纸面光滑度，要求把烘缸外表面磨光并把内表面镗光，使整个烘缸壁保持厚薄一致，以保证烘缸的安全、平衡和各处传热均匀。烘缸的作用是用来烘干纸页中的水分并整饰纸面。

烘缸内部通入饱和蒸汽进行加热，饱和蒸汽的温度120～150℃。烘缸被安放到密闭的气罩内，并通过供风系统通入预热的干热空气加速水分的蒸发。热量通过烘缸壁传导到纸张中，将纸张中的水分由压榨后的60%降低到出烘干部约为7%。在正常生产过程中气罩内的环境温度可以达到70～80℃。

 

2  烘缸轴承故障简述

某公司纸机从2004年开机，烘缸固定端轴承连续出现损伤失效症状。按设计要求，在烘干部的轴承使用寿命为8～10万h。按连续生产来算这些轴承的寿命应该为8年左右。但是现在这些轴承只有1～2年的工作寿命，有的甚至只有2～3个月的寿命，明显低于设计要求。

从2004年至2015年已经更换了一百多套轴承。由于轴承频繁的拆卸、安装，又对烘缸的轴头造成不可逆转的损伤。烘缸轴承的不稳定工作对车间的正常生产产生极大的影响。

 

3  烘缸轴承损坏和蒸汽压力的关系

3.1蒸汽群组分类

在纸机生产过程中，要从烘缸固定端通入高温的蒸汽来实现对纸幅中水分的蒸发。根据纸机生产工艺，不同位置的烘缸对纸面的烘干能力是不同的，通入的蒸汽压力也是不同。若干个相邻的烘缸组成一个烘缸群，通入特定压力的饱和蒸汽来实现组群的共同加热。该纸机共有40个烘缸，划分为11个烘缸群。不同的群通入的蒸汽压力各不相同，烘缸表面温度也不同。

在生产过程中根据出干燥部纸幅水分的大小，纸机会自动调节各个蒸汽群的供气压力。通过表2可以清晰看出蒸汽压力较高的三个位置分别是2B、3、4号烘缸群，这三个群的供气压力峰值分别达到0.44MPa、0.54MPa、0.52MPa。蒸汽压力较低的两个位置分别是1C、5B烘缸群，其供汽压力分别是0.14MPa、0.18MPa。

 

3.2烘缸固定端轴承更换数量

依据2004年至2015年间该车间维修记录，该车间重复性更换了137套烘缸固定端轴承。结合烘干部烘缸群组蒸汽压力和对应烘缸位置轴承更换数量，可以体现出蒸汽压力和轴承损坏的关系并得到图1（蒸汽压力和轴承更换数量对应关系）。

通过图1可以清晰地看出烘缸固定端轴承更换频次最高的三个位置分别是2B、3、4号烘缸群，在这三个位置烘缸传动侧轴承更换平均频次分别达到4.67次、3.125次、4次。更换频次较低的两个位置1C、5B烘缸，在这两个位置内的烘缸轴承更换频次分别为1.5次、2次。

 

1^#、2^#、27^#烘缸在正常生产过程中通入微量蒸汽，在蒸汽压力为0的情况下这三个位置的烘缸轴承工作时间已经达到11年。通过振动监测技术分析，这三个位置的烘缸轴承状态良好。

通过以上数据可以看出，烘缸传动侧轴承更换频次和烘缸的供汽压力呈正相关关系。

 

4  烘缸轴承损坏模式

 

图2显示的是轴承内圈滚道失效的图片。

● 轴承有打滑痕迹

● 滚道表面有环形色圈

● 滚道表面次表层疲劳脱落

图2显示轴承滚道表面的环形色圈、次表层脱落、滚动体表面脱落和碎裂、滚动体表面磨损。对于以上轴承损伤原因可以引用ISO15243—2004Rolling bearings—Damage and failures滚动轴承损伤和失效—特征和原因一文中的说明（图3）。

 

● 润滑不良，轴承间隙过小。

● 相对于负载和速度存在严重的轴承负载。

● 过高的温升降低了轴承材料的硬度。

● 固体颗粒进入密封的轴承中导致磨损。

通过以上列举的案例和数据可以反映出，造成烘缸传动侧轴承损伤失效的根本原因是烘缸传动侧汽头内部的高温引发的一系列影响轴承正常运行的恶劣条件。

 

5  烘缸的隔热结构

为了减少烘缸中的热量向轴承的传导，便有了隔热套的产生。隔热结构主要有隔热套隔热、端面隔热、隔热套与端面隔热共同隔热。

5.1隔热结构的原理

隔热套隔热即把蒸汽用钢管输送，与轴颈用空气隔开形成隔热带。空气比热比较小、导热系数低，热量是通过辐射和对流散逸的。通过设置隔热带，来保证高温蒸汽不会散失到烘缸轴头中。

在实际生产的过程中经常会发生隔热失效的情况。在设备安装或维修过程中，因为轴颈和隔热套尺寸和结构等原因，极易造成端面密封中隔热密封环的安装损坏、破裂，如图4所示的隔热密封环就因为安装不当造成隔热密封环破裂。

安装到汽头上的隔热密封环在工作过程中因为安装不当造成损坏后，极易发生高压蒸汽的泄漏。高温蒸汽泄漏后进入到隔热套和轴颈的空隙当中会形成冷凝水。这时热传递条件与轴颈不隔热时几乎相同，隔热结构失效，大量的热量穿透隔热套传递到轴颈中，造成轴承内外圈的温度急剧上升。

 

5.2隔热结构和无隔热结构对比试验

试验条件：无隔热套和端面隔热结构的轴承装置、具备隔热套和端面隔热结构的轴承装置，试验蒸汽温度为130℃。

通过对两套轴承装置通入相同温度的蒸汽后分别测量轴头位置、轴承内环、轴承滚动体、轴承外环等部位的温度。无隔热结构的轴承装置在运行一定时间后，轴头位置温度达到121℃，轴承内环温度达到107℃，滚动体温度93℃，轴承外环温度达到86℃。而具备隔热结构的轴承装置在运行相同时间后，轴头位置温度达到79℃，轴承内环温度达到77℃，滚动体温度73℃，轴承外环温度达到72℃。通过图5可以明显地看出具备隔热结构的轴头比没有隔热结构的轴头温度低42℃，轴承温升也大幅降低。

 

 

6  高温对润滑油黏度的影响

黏度反映油品的内摩擦力，是表示油品油性和流动性的一项指标。在未加任何功能添加剂的前提下，黏度越大，油膜强度越高，润滑效果越好。黏度是随着温度变化的，温度越高润滑油的黏度就越低。

通过图6润滑油黏温曲线可以看出润滑油的黏度随着温度的升高快速降低。当油品温度上升到100℃时该型号润滑油黏度下降到18.1mm²/s。

 

润滑油的温度越高其黏度下降的越大，润滑油的油膜厚度越小（图7），抵抗重载的能力就会越低，润滑油的润滑性能越差，轴承系统就会因为润滑不良而过早损坏失效。

 

 

7  汽头隔热结构优化方案

采用二次密封的方式对其进行改进，使得第一道密封破损失效后第二道密封结构继续完成对蒸汽的密封作用。

7.1转接法兰设计

该方案是继续采用威尔逊9700型的烘缸汽头结构，原来的隔热密封环安装在转接法兰中。转接法兰安装在烘缸轴头上。当转接法兰安装到位后在隔热套和转接法兰中间会有7mm配合距离。第二道密封就是在这7mm的位置上发挥作用（图8）。

 

首先在距离转接法兰内侧1mm的位置加工一个3mm宽、2.5mm深的环形O型圈槽。使用材质为氟橡胶的O型圈，安装到O型槽内。当转接法兰安装到位后，O型圈起到第二道密封的作用。

7.2密封材料的选择

氟橡胶(fluororubber)是指主链或侧链的碳原子上含有氟原子的合成高分子弹性体。氟原子的引入，赋予橡胶优异的耐热性、抗氧化性、耐油性、耐腐蚀性和耐大气老化性，在航天、航空、汽车、石油和家用电器等领域得到了广泛应用。

氟橡胶具有高度的化学稳定性，是目前所有弹性体中耐介质性能最好的一种，氟橡胶的耐高温性能和硅橡胶一样，可以说是目前弹性体中最好的。氟橡胶在250℃下可长期使用。

 

8  烘缸轴承安装方式优化

8.1安装过程中的温度控制

安装前轴承的提前预热、轴头温度降温处理。

现场维修过程中由于纸机设备停机检修时间短，烘缸体积大，短时间内轴头温度下降幅度有限，停机3h后的轴头温度依然高达75～85℃，此时轴头和室温条件下的轴承存在50～60℃的温度差。由于烘缸轴承尺寸较大，大幅温升后对其自身的热膨胀形变造成影响，从而引起轴承游隙的变化。

8.2安装方式——游隙测量变更为液压推进法

轴承内圈为锥度孔结构和烘缸轴头锥面过盈配合安装。在安装过程中一般使用塞尺对其轴承安装游隙进行测量。由于纸机传动侧部分烘缸传动为齿轮齿箱结构，齿箱结构限制了烘缸轴承的拆卸、安装。在起吊烘缸或者拆卸轴承的过程中会造成烘缸轴向的位移，使得轴承安装位置变化。在安装过程中随着轴承内环在轴头的移动会造成内外环的轴向移位，使得内外排滚动体轴承间隙异常变大或者变小。很容易造成安装人员使用塞尺测量游隙时的测量误差，导致轴承实际剩余游隙过大或者过小，不能满足轴承正常运行的游隙要求。

当轴承安装剩余游隙小于轴承许用最小游隙时，轴承运行过程中会出现轴承温度升高、内外环滚道疲劳脱落、滚动体卡死、保持器断裂、轴承内环胀裂等情况发生，导致轴承异常损坏或过早出现损伤。轴承内环胀裂还会导致烘缸研轴或者轴承抱死的恶性设备事故的发生。

当轴承安装剩余游隙大于轴承许用最大游隙时，轴承运行过程中会出现轴承的异常振动、烘缸运行异响。由于轴承游隙过大在运行过程中还会出现轴承滚动体在内外环滚道之间的异常打滑，造成轴承磨损加剧，严重时导致轴承内外环滚道疲劳脱落。

在各安装部位正常无明显磨损的情况下，现场安装时建议采用液压推进法进行轴承安装，在安装过程中使用液压螺母对轴承内环进行推进。通过查询轴承型号后可以获得该型号轴承的安装数据：轴承的原始游隙、游隙减小量、最小许用游隙、液压螺母起始压力、轴承内环推进距离等数据。当轴承内环到达位置后即可完成轴承的安装。可以避免因为人工测量导致的测量误差，实现轴承的精细安装。

 

9  润滑油品优化

造纸机烘干部因为运行的温度较高，常采用稀油润滑方式，采用油站供油由自动化控制系统进行管理控制。由于现代纸机高速、重载荷连续运行，因此对润滑油黏温性、氧化安定性、挤压性、抗乳化性、抗水性、过滤性等性能提出了较高的要求。现有纸机上配备的PMO无灰造纸机循环油虽然在性能指标上可以满足纸机运行的基本要求，但是在高温、高速、重载的工况下作业也暴露出油膜稳定性不足、润滑性能降低等问题。

对于纸机烘干部润滑油的优化可以采用CMO无灰极压造纸机循环油，该油品具有高温稳定性。有效的抗氧化剂保护高温环境及高温运行条件下的润滑油使用寿命，减少沉积物的生成。

挤压添加剂与无灰抗磨剂提供良好的FZG和Timken表现性能。是在高温高压的边界润滑状态下，能和金属表面形成高熔点化学反应膜，以防止发生熔结、咬黏、刮伤的添加剂。作用是通过分解的产物在摩擦高温下与金属起反应，生成剪切应力和熔点都比纯金属低的化合物，从而防止接触表面咬合与焊熔，有效地保护金属表面。辅助提升润滑油的润滑性能，延长轴承重载条件下的使用寿命。

 

10  结束语

通过优化烘缸汽头密封结构、采用极压特性润滑油、优化轴承装配工艺，可以有效地改善烘缸轴承在高温、重载工况的运行条件，减少轴承内部摩擦，延长轴承的使用寿命。